Студенты СПбГУ создают водородный топливный элемент, превосходящий литий-ионные аккумуляторы по нескольким параметрам

Сегодня литий-ионные аккумуляторы применяются повсеместно — от смартфонов до электрокаров. При этом они имеют ряд серьезных недостатков. Пока над устранением этих проблем бьются ученые во всем мире, команда «Водородный экспресс», вышедшая в финал конкурса «Start-up СПбГУ — 2020», создает топливный элемент, который может превзойти литий-ионные аккумуляторы по целому ряду параметров.

Производство и постепенное совершенствование литий-ионных батарей стало прорывом в науке и технике. Ученые, которые внесли наибольший вклад в развитие технологии, — Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Йошино — в 2019 году были награждены за это Нобелевской премией. Однако использование литий-ионных батарей омрачают их сравнительно небольшое время работы, низкий температурный диапазон, взрыво- и пожароопасность, возможные утечки энергии, а также угроза, которую они представляют для экологии.

Капитан команды «Водородный экспресс» Анастасия Караман учится на первом курсе магистратуры по программе «Геофизика». Идея проекта пришла к ней из собственной профессиональной области.

«Я участвовала в геофизических работах, направленных на разведку и поиск полезных ископаемых. В частности, мы измеряли магнитные и электрические свойства горных пород специальными приборами. Когда работа выполняется пешком, на нее уходит несколько месяцев, а в условиях пересеченной местности с серьезным рельефом и реками — и того дольше. Дороже всего заказчикам исследований обходятся людские ресурсы — ведь кроме материального вознаграждения нужно потратиться еще и на дорогу», — рассказывает Анастасия Караман.

Потом я узнала, что с помощью квадрокоптера за один день можно выполнить тот же объем работы, который люди выполняли бы месяц. Я стала думать над совершенствованием исследовательских комплексов — беспилотных летательных аппаратов, оснащенных специальными приборами.

Капитан команды «Водородный экспресс» Анастасия Караман

При этом у квадрокоптеров, работающих на литий-ионных аккумуляторах, существует серьезное ограничение — время работы. Особенно сильно оно сокращается в условиях минусовой температуры. Научный руководитель Анастасии Караман — доцент кафедры геофизики СПбГУ Алексей Гончаров — посоветовал ей использовать в беспилотных летательных аппаратах альтернативный источник энергии. Именно он познакомил ее с ребятами из проектной мастерской, с которыми они и приступили к воплощению идеи. Вскоре Алексей Гончаров стал научным руководителем стартап-проекта.

Вместе с Анастасией Караман в команду «Водородный экспресс» входят четверо студентов СПбГУ: Степан Данилов (второй курс магистратуры, программа «Фундаментальные и прикладные основы нанотехнологий и наносистем»), Александр Ковальчуков (второй курс бакалавриата, программа «Прикладная математика и информатика»), Дарья Пичугина (четвертый курс бакалавриата, программа «Физика») и Александр Иванов (второй курс аспирантуры, программа «Экономика»). Также помощь ребятам оказывает доцент кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин.

Топливный элемент, который мы разрабатываем, может стать доступным источником энергии и открыть новые перспективы в использовании электротехники.

Студент второго курса магистратуры СПбГУ Степан Данилов

«Например, те же квадрокоптеры смогут летать гораздо дольше, что положительно скажется на геологических исследованиях. Также за счет того, что топливные элементы довольно легко масштабируются, их можно будет использовать в электрических автомобилях. Это позволит уменьшить объем и вес их энергетической системы. В перспективе подобные нововведения могут повысить конкурентоспособность автомобилей, использующих экологически безопасные виды топлива», — объясняет электрохимик проекта Степан Данилов.

Однако при всем многообразии возможных областей применения топливного элемента участники команды сконцентрировались именно на квадрокоптерах. Свой выбор они объясняют тем, что рынок беспилотных летательных аппаратов в России растет очень быстро — на 40 % в год. Другая причина заключается в том, что компании, занятые их производством, отличаются особенной открытостью к инновационным решениям.

«Мы можем изготовить любую батарею под заказ — для определенного квадрокоптера и под конкретную задачу. При создании используются стандартные элементы конструкции и баллоны с водородом. Конечно, мы не можем организовать гигантское производство. В нашем случае идеальный вариант — это мелкосерийное изготовление элементов питания», — рассказывает Степан Данилов.

По его словам, сфера производства водородных элементов питания в России находится в зачаточном состоянии — существуют отдельные предприятия, но в целом ниша не занята. Тем не менее в мире водородные элементы питания применяются достаточно широко. Например, в китайском городе Чаншу действует масштабная водородная программа — за несколько лет его планируют почти полностью перевести на водородную энергетику. Кроме того, на площадке Всемирного экономического форума в Давосе в 2017 году был создан «Водородный совет» (Hydrogen Council), в который вошли такие крупные автопроизводители, как BMW, Daimler, Honda, Hyundai и Toyota. Некоторые из них уже сейчас выпускают автомобили на водороде. В японском городе Намие построена водородная станция на солнечной энергии, которая способна заправлять 560 автомобилей на топливных элементах в день.

«Водородный топливный элемент интересен еще и тем, что его генераторы не так сложно изготовить или купить. Благодаря этому можно будет питать устройства даже в полевых условиях. Конечно, для этого понадобится бензин, но смысл здесь именно в автономности в сложных обстоятельствах. Впрочем, в другой ситуации водородными электрогенераторами можно будет успешно заменить их бензиновые аналоги», — считает Степан Данилов.

Также участники команды отмечают, что уже создали уникальный наноматериал на основе простого элемента никеля, который будет использоваться в качестве протонной обменной мембраны. Одно из его важных качеств — низкая стоимость по сравнению с мембранами, которые используется сегодня в изготовлении водородных топливных элементов. Ожидается, что топливный элемент будет дешевле существующих аналогов на 30 %.

Другая важная особенность топливного элемента, над которым работает «Водородный экспресс», заключается в применении инновационной наноструктурированной никелевой сетки в качестве катализатора.

«Для катализатора наиболее важно, чтобы он не был очень дорогим и имел высокий выход мощности на каждый квадратный сантиметр площади. Увеличить эту полезную поверхность можно за счет пористости, — объясняет Степан Данилов. — Зная это, мы использовали наноструктурированный никель. Он похож на давно изобретенный никель Ренея, но нам удалось сделать материал еще более пористым. Чтобы еще больше повысить активность катализатора, мы внедрили в него платиновые наноточки — их размер настолько мал, что почти не отражается на стоимости топливного элемента. Благодаря этому наш проект может конкурировать с литий-ионными аккумуляторами по цене и существенно превосходить их по характеристикам».

Так, прототипы квадрокоптеров на водородном топливном элементе работают в два-три раза дольше за счет большей энергоемкости. Если диапазон рабочих температур литий-ионных аккумуляторов колеблется от минус 20 °C до плюс 60 °C, то у разработки команды «Водородный экспресс» он существенно больше — от минус 60 °C до плюс 80 °C.

По словам участников команды, по безопасности современные водородные топливные элементы вполне сопоставимы с двигателями внутреннего сгорания. При этом, в отличие от них и литий-ионных аккумуляторов, они не наносят вреда окружающей среде.

Конкурс «Start-up СПбГУ» проходит в Университете уже в пятый раз. Команды, представившие самые наукоемкие и коммерчески перспективные бизнес-модели, получат денежные призы от эндаумент-фонда СПбГУ. Первое место принесет 300 000 рублей, второе — 200 000 рублей, а третье — 100 000 рублей. Кроме того, двум победившим командам могут предложить создать совместно с Университетом малые инновационные предприятия. Гранты на их развитие составят 1 000 000 и 700 000 рублей. Подробную информацию о конкурсе «Start-up СПбГУ — 2020» можно узнать на сайте эндаумент-фонда СПбГУ.

На итоговом этапе конкурса команда планирует продемонстрировать жюри рабочий топливный элемент, установленный на шасси. К сожалению, работа над этим затягивается из-за пандемии коронавируса — элемент остался в лаборатории, в которую у ребят пока нет доступа. Впрочем, выполнение оставшихся работ займет не больше трех недель, так что к финалу успеть выполнить их вполне реально, считает Степан Данилов.

«Это конкурс оказался невероятно полезным для нас. С одной стороны, мы получили новые знания в области экономики, менеджмента и маркетинга. С другой — серьезный опыт выступления перед экспертным жюри, — рассказывает Анастасия Караман. — Даже если победа в „Start-up СПбГУ — 2020“ достанется другой команде, „Водородный экспресс“ продолжит заниматься своим проектом. Ведь мы разрабатывали его не под конкретный конкурс. Для нас это только начало и первая возможность испытать свою идею».